Tänu tänapäevaste teleskoopide märkimisväärselt täiustatud võimalustele on astronoomid uurinud kosmosesse sügavamale ja ajas kaugemale. Seda tehes on nad suutnud käsitleda mõnda pikaajalist saladust, kuidas Universum arenes pärast Suurt Pauku. Üks neist saladustest on see, kuidas varajases universumis moodustusid ülimassiivsed mustad augud (SMBH), millel on ülioluline roll galaktikate evolutsioonis.
Kasutades ESO Tšiilis asuvat väga suurt teleskoopi (VLT), vaatles rahvusvaheline astronoomide meeskond galaktikaid, kuna need ilmusid umbes 1,5 miljardit aastat pärast Suurt Pauku (umbes 12,5 miljardit aastat tagasi). Üllataval kombel jälgisid nad suuri jaheda vesiniku reservuaare, mis oleksid võinud pakkuda SMBH-dele piisavat “toiduallikat”. Need tulemused võivad selgitada, kuidas SMBH kasvas kosmilise koidiku ajal nii kiiresti.
Meeskonda juhtis dr Emanuele Paolo Farina Max Plancki Astronoomia Instituudist (MPIA) ja Max Plancki Astrofüüsika Instituudist (MPA). Temaga liitusid nii MPIA kui ka MPA, Euroopa Lõuna observatooriumi (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri astrofüüsika vaatluskeskuse, Bologna astrofüüsika ja kosmoseteaduse vaatluskeskuse ning Max Plancki Maavälise Füüsika Instituudi (MPEP) teadlased.
Astronoomid on aastakümnete vältel uurinud SMBH-sid, mis eksisteerivad enamiku galaktikate tuumikus ja mida identifitseeritakse nende aktiivsete galatiliste tuumade (AGN) järgi. Need tuumad, mida tuntakse ka kvaasaridena, võivad eraldada rohkem energiat ja valgust kui ülejäänud galaktika tähed koos. Praeguseks on kaugeim vaatlusalune ULAS J1342 + 0928, mis asub 13,1 miljardi valgusaasta kaugusel.
Arvestades, et esimesed tähed moodustusid hinnanguliselt vaid 100 000 aastat pärast Suurt Pauku (umbes 13,8 miljardit aastat tagasi), tähendab see, et SMBH-d pidid esimestest tähtedest kiiresti tekkima, et surra. Siiani polnud astronoomid varase universumi ajal leidnud tolmu ja gaasi piisavalt suures koguses, et seda kiiret kasvu seletada.
Lisaks selgusid varasemate vaatustega, mis tehti Atacama suure millimeetri / submillimeetri massiivi (ALMA) abil, et varased galaktikad sisaldasid palju tolmu ja gaasi, mis soodustas tähtede kiiret moodustumist. Need leiud näitasid, et mustade aukude söötmiseks poleks jäänud palju materjali, mis ainult süvendas saladust, kuidas need liiga kiiresti kasvasid.
Farina ja tema kolleegid tuginesid selle lahendamiseks VLT multiospektroskoopilise uurimise seadme (MUSE) kogutud andmetele, et uurida 31 kvasari umbes 12,5 miljardi valgusaasta kaugusel (jälgides seega, millised nad välja nägid 12,5 miljardit aastat tagasi). See teeb nende uuringust ühe suurima kvaasaride proovi sellest universumi varasest perioodist. Nad leidsid 12 laiendatud ja üllatavalt tihedat vesinikupilve.
Neid vesinikupilvi tuvastati nende iseloomuliku ultraviolettvalguse käes helendamise järgi. Arvestades kaugust ja punanihke mõju (kus valguse lainepikkus on kosmilise paisumise tõttu venitatud), tajuvad maapinnaga teleskoobid hõõgumist punase tulena. Nagu Farina selgitas MPIA pressiteates:
“Särava gaasi kõige tõenäolisem seletus on fluorestsentsi mehhanism. Vesinik muundab kvasari energiarikka kiirguse spetsiifilise lainepikkusega valguseks, mida on silmaga märgata.”
Jaheda tiheda vesiniku pilved, mis Päikese massist olid mitu miljardit korda suuremad, moodustasid varajaste galaktikate ümber halosid, mis ulatusid keskmistest mustadest aukudest 100 000 valgusaasta võrra. Tavaliselt on selliste pilvede tuvastamine kvaasarite (mis on intensiivselt eredad) ümbruses üsna keeruline. Kuid tänu MUSE instrumendi tundlikkusele - mida Farina nimetas mängude vahetajaks - leidis meeskond nad üsna kiiresti.
Nagu ütles uuringu koostamisse ka MPIA teadur Alyssa Drake:
“Praeguste uuringutega alustame alles uurimist, kuidas suutsid esimesed supermassiivsed mustad augud nii kiiresti areneda. Kuid uued instrumendid nagu MUSE ja tulevane James Webbi kosmoseteleskoop aitavad meil neid põnevaid mõistatusi lahendada.”
Töörühm leidis, et need gaasihalogeenid olid tihedalt seotud galaktikatega, pakkudes täiuslikku „toiduallikat“, nii tärnide kiire moodustumise kui ka supermassiivsete mustade aukude kasvu toetamiseks. Need tähelepanekud lahendavad tõhusalt saladuse, kuidas ülimaitsvad mustad augud võisid Universumi ajaloos nii varakult olemas olla. Nagu Farina selle kokku võtab:
“Nüüd suudame esimest korda näidata, et ürggal galaktikatel on nende keskkonnas piisavalt toitu, et säilitada nii supermassiivsete mustade aukude kasvu kui ka jõulist tähtede moodustumist. See lisab mõistatuse, mille astronoomid ehitavad, põhjapaneva elemendi, et kujutada, kuidas kosmilised struktuurid moodustusid enam kui 12 miljardit aastat tagasi.”
Tulevikus on astronoomidel veelgi keerukamaid vahendeid galaktikate ja SMBH-de uurimiseks varajases universumis, mis peaksid iidsete gaasipilvede kohta veelgi rohkem üksikasju ilmutama. See hõlmab nii ESO äärmiselt suurt teleskoopi (ELT) kui ka selliseid kosmosepõhiseid teleskoope nagu James Webbi kosmoseteleskoop (JWST).
Meeskonna leide kirjeldav uuring ilmus 20. detsembri numbris Astrofüüsikaline ajakiri.
